矮塔斜拉桥设计参数敏感性分析研究

赵启华

(四川省交通勘察设计研究院有限公司，四川成都 610017)

1 矮塔斜拉桥

矮塔斜拉桥的施工控制是一个复杂而多变的系统工程，各种设计参数都可能对控制结果产生较大影响。因此要从众多设计参数中鉴别出哪些是对结构影响较大的关键性参数，继而为大跨度桥梁的施工控制提供重要意见和应对措施。

不同的参数对同一座桥梁结构的力学状态的影响程度是不同的，同一参数对不同的结构体系影响程度也不同。因此在施工与设计时，一方面，应使状态参数与实际结构参数相符合，如采用现场测量的方法或实验测量的方法确定结构的几何参数和材料特性等参数。另一方面，必须对这些参数对桥梁结构成桥状态内力、线形的影响程度进行敏感性分析。参数敏感性具体表现在状态参数发生某一变化后，结构的位移、内力以及拉索的索力等相关受力性能随之改变。结构的参数敏感性分析的主要目的就是要找出对成桥运营阶段结构受力状态影响较大的参数。由于不同的参数变化对结构影响的程度大小不一，以此来确定哪些参数为主要状态参数，哪些为次要状态参数。

2 参数敏感性分析的内容

依据黄龙带矮塔斜拉桥的实际施工过程，对影响结构的部分结构参数进行敏感性分析。黄龙带矮塔斜拉桥立面布置图如图1所示。跨径(108+208+108) m，桥宽2×21.5 m；上部结构采用左右分修单箱双室混凝土箱形梁，跨中梁高3.8 m，根部梁高6.0 m，翼板悬臂4 m；三柱分离式索塔，斜拉索扇形布置，索距8 m，在分修箱梁的翼板悬臂端锚固，斜拉索锚固于纵横格梁的节点处。

图1 黄龙带矮塔斜拉桥立面布置(单位:m)

本文所探讨的结构参数包括主梁重量、环境湿度影响等11个参数，探讨的结构参数和参数的具体变化范围如表1所示。表1中(±)的意思是在设计基准值的基础上增大或减小参数值,其余参数的取值如预应力相关参数、环境相对湿度等参数取值仍然以基准状态为准。上述结构参数在调整时，要考察成桥的桥梁控制相应参数如表2所示。表中有“√”的内容表示考察了该项。

表1 主要结构参数状态一览

3 设计参数敏感性分析计算

3.1 计算模型

选用有限元分析软件TDV RM进行计算。结构的计算模型主要由以下几个部分组成：主梁、塔、斜拉索、桥墩和桩基础。主梁、索塔、桥墩及桩均采用空间梁单元，斜拉索采用索单元模拟。计算模型如图2所示。

表2 主要结构影响参数

图2 黄龙带矮塔斜拉桥计算模型模型

3.2 计算结果

各因素作用下结构反应最大值(绝对值)汇总见表3，其中由于应力对结构正常使用和结构安全直接相关，表中列出了压应力最大增幅。

表3 各因素作用下结构反应最大值(绝对值)汇总

4 设计参数敏感性控制目标分析

设定控制目标为y，此控制选项可以为应力或拉索索力等，从要进行敏感性分析的参数中取一个状态参数设为x，令y=f(x)，当状态参数发生变化值为Δx，则

y0=f(x0)

x0为x的参数基准值，由于不同参数对结构影响大小不同，为使结构变化较明显故不同参数变化值取值不同。为方便比较参数变化对结构影响的大小，取参数基准值的5 %为标准。由于为线弹性分析，变化不是5 %的参数通过线性换算为5 %来进行比较。而

y1=f(x0+Δx)=f(x0+0.05x0)

则参数敏感性目标值选取为

β=|y1-y0|=|f(x0+Δx)-f(x0)|=

|f(x0+0.05x0)-f(x0)|

β值越大，说明该控制目标对该参数越敏感。

4.1 选取主梁上缘应力为控制目标

选取主梁的上缘应力作为控制目标，分析参数变化对主梁上缘应力的敏感性。见表4。

表4 控制目标为β1时参数敏感性计算

选取运营状态的桥梁结构进行研究，令主梁的上缘应力差值绝对值之和作为控制目标β1，即：

n为主梁梁段号，di0为参数未改变时第i梁段的上缘应力，di1为参数发生变化后第i梁段的上缘应力。

进行归一化处理后的控制目标值w见表5。

表5 归一化后控制目标值w计算

从表5中可以看出，对运营状态下桥梁结构进行敏感性分析，当控制目标取为β1时，其敏感程度由强到弱顺次为主梁容重、温度、索梁塔温差、环境相对湿度、超载、塔梁刚度、预应力参数、顶推力、墩刚度、塔偏移，归一化取值后主梁容重、温度、索梁塔温差、环境相对湿度取值大于0.3，为敏感性参数，其余各参数敏感性较弱。

4.2 选取主梁下缘应力为控制目标

选取主梁的下缘应力作为控制目标，分析参数变化对主梁下缘应力的敏感性，见表6。

选取运营状态的桥梁结构进行研究，令主梁的下缘应力差值绝对值之和作为控制目标β2，即

n为主梁梁段号，di0为参数未改变时第 i 梁段的下缘应

表6 控制目标为β2时参数敏感性计算

力，di1为参数发生变化后第i梁段的下缘应力。

进行归一化处理后的控制目标值w见表7。

表7 归一化后控制目标值w计算

从表7中可以看出，对运营状态下桥梁结构进行敏感性分析，当控制目标取为β2时，其敏感程度由强到弱顺次为主梁容重、索梁塔温差、温度、环境相对湿度、超载、塔梁刚度、顶推力、预应力参数、墩刚度、塔偏移，归一化取值后主梁容重、索梁塔温差、温度、环境相对湿度取值大于0.3，为敏感性参数，其余各参数敏感性较弱。

4.3 选取拉索索力为控制目标

选取拉索索力为控制目标，分析参数变化对拉索索力的敏感性，见表8。

表8 控制目标为β3时参数敏感性计算

选取运营状态的桥梁结构进行研究，令拉索索力差值绝对值之和作为控制目标β3，即

式中:n为拉索编号，di0为参数未改变时第i号拉索的索力，di1为参数发生变化后第i号拉索的索力。

进行归一化处理后的控制目标值w见表9。

表9 归一化后控制目标值w计算

表9中对运营状态下桥梁结构进行敏感性分析，当控制目标取为β3时，其敏感程度由强到弱顺次为主梁容重、温度、索梁塔温差、环境相对湿度、塔梁刚度、超载、预应力参数、顶推力、墩刚度、塔偏移，归一化取值后主梁容重、温度、索梁塔温差取值大于0.3，为敏感性参数，其余各参数敏感性较弱。

5 结论

在运营状态下，取大桥上缘应力、下缘应力及拉索索力为控制目标，对主梁容重、温度、索梁塔温差、环境相对湿度、塔梁刚度、超载、预应力参数、顶推力、墩刚度、塔偏移等10个参数的敏感性进行了分析，得出以下结论：

(1)对主梁上缘应力影响较大的参数有主梁容重、温度作用、索梁塔温差、环境相对湿度。

(2)对主梁下缘应力影响较大的参数有主梁容重、索梁塔温差、温度、环境相对湿度。

(3)对拉索索力影响较大的参数有主梁容重、系统温差、索梁塔温差。

(4)对主墩影响较大的参数有收缩徐变、温度、索梁塔温度变化、墩高变化。

判定主梁容重、温度、索梁塔温差、环境相对湿度是对矮塔斜拉桥控制参数影响较大的因素，属于比较敏感的结构参数；判定超载、塔梁刚度偏差及预应力参数是对矮塔斜拉桥控制参数影响较小的因素，属于不太敏感的结构参数；判定顶推力、墩刚度及塔偏移是对矮塔斜拉桥控制参数影响小的因素，属于不敏感的结构参数。由于温度及环境湿度对桥梁的性能影响比较大同时也属于环境参数，所以在施工控制中要注意对环境温度和湿度进行监控，寻求合理的立模、架设时间，修正结构状态的温度效应；对环境湿度变化也要进行细致的分析并制定详细合理的施工控制方案；主梁容重、塔梁刚度、预应力参数对桥梁的性能影响较大，而在施工中这些参数一般都与设计值有一定的偏差，因此在施工中要严格控制工艺，保证材料比例、模板精度符合要求，严格控制混凝土的养护条件和时间及预应力束的制作和施工质量；在运营时应重点监测关键部位的应力及斜拉索的索力。

综上所述，主梁容重变化、温差作用、索梁塔温差、环境相对湿度变化是影响矮塔斜拉桥设计计算的控制性参数，属于比较敏感的结构参数。应严格施工控制和施工监测，使桥梁实际受力与理论计算尽量保持一致，确保桥梁安全。